Воздушные линии электропередачи (ВЛ) остаются основой энергосистем страны, а ключевым элементом их надёжности всегда был и остаётся изолятор. За последние десятилетия подход к материалам и конструкциям изоляторов существенно изменился. Сегодня на смену устаревшим решениям приходят современные технологии производства, позволяющие сочетать ресурс, надёжность и адаптацию к требовательным российским условиям.
В эволюции электроэнергетических систем, наряду со стеклянными изоляторами, находят применение изоляторы из альтернативных материалов: фарфоровые и полимерные. Фарфоровые изоляторы, благодаря своей высокой механической прочности и хорошей изоляционной способности, являются популярным выбором для энергосетей, особенно для линий среднего напряжения. Полимерные изоляторы, в свою очередь, предложили преимущества в виде меньшего веса, что сделало их идеальными для определенных условий эксплуатации. Каждый из материалов имеет как достоинства, так и недостатки.
· Фарфоровые — отличаются высокой механической прочностью, но подвержены гигроскопичности: нарушение эмалевого покрытия приводит к накоплению влаги и внутренним пробоям, что иногда вызывает внезапный отказ.
· Полимерные — выигрывают по массе и монтажу, но требуют строгого контроля старения и качества.
· Стеклянные — решение, сочетающее доступность сырья, высокий ресурс и устойчивость к атмосферным воздействиям.
Многообразие применяемых материалов является неотъемлемой частью естественного технологического прогресса, в рамках которого инженеры и ученые разрабатывали способы улучшения свойств изделий.
Особенно принципиален для России вопрос импортозамещения — стекло изготавливается из отечественного сырья: кварцевого песка (SiO2), соды (Na2CО3), доломита (CaCО3×MgC О3), мела (СаСО3) и некоторых других компонентов. При этом производство переходит с дорогостоящих и энергоёмких советских глиноземных составов к боросиликатной технологии (Pyrex/Duran), актуальной и для мирового рынка.
Смесь все компонентов для производства стекла, взятых в определенном соотношении, называется шихтой. Шихта загружается в стекловаренную печь и при нагревании до 1350–1600°С варится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготовляют стеклянные изделия. Главным стеклообразующим веществом является кварцевый песок, который содержит 98% SiO2. Практически стекло можно получать из одного кварцевого песка, однако сварить его можно только при очень высокой температуре (около 2000°С). Для этого нужно иметь дорогостоящие печи и другое сложное оборудование.
Для получения различных других видов стекол вводят модификаторы, снижающие температуру его варки. К этим веществам относятся: сода, мел, доломит, и некоторые другие. Например, применение сурика используется для производства специальных видов хрусталя.
История стеклянных изоляторов в России началась с производства на основе глиноземного стекла (тип 13В), отличавшегося очень высоким уровнем энергоёмкости. На современном этапе производственная линия низковольтных штыревых изоляторов полностью переведена на боросиликатное стекло – по физико-химическим характеристикам аналог мировых марок Pyrex, благодаря чему получаются оптимальные сочетания механической прочности, термической стабильности и устойчивости к атмосферному воздействию.
АО "Полимер-Аппарат" на базе своего Маловишерского стекольного завода внедряет рецептуры последнего поколения, позволяющие выпускать малогабаритные штыревые изоляторы для ВЛ до 20 кВ. Технологии производства компании опираются на глубокий анализ достоинств и опыта эксплуатации классических советских технологий и отвечает вызовам современной мировой энергетики.
Рис. 1 Изолятор ШС-20 производства АО "Полимер-Аппарат"
Электротехническое стекло оптимально для изготовления изоляторов и обладает следующими основными свойствами:
1) электрическая изоляция (стекло обладает высокой диэлектрической прочностью, что делает его отличным диэлектриком для предотвращения электрических пробоев в изоляторах);
2) механическая прочность (хотя стекло и может быть хрупким, оно все же обладает необходимой механической прочностью, чтобы выдерживать нормальные эксплуатационные нагрузки), при этом в отличии от фарфоровых изоляторов, обладает меньшей массой, что упрощает процесс транспортировки и монтажа;
3) устойчивость к атмосферным условиям (электротехническое стекло устойчиво к воздействию внешней среды, в том числе агрессивной; оно хорошо сопротивляется воздействию атмосферных условий, таких как влага и ультрафиолетовое излучение, что важно для долговременной эксплуатации на открытом воздухе);
4) термическая стабильность (стекло сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур, что делает его подходящим для использования в различных климатических условиях);
5) визуальный контроль (прозрачность стекла позволяет легко осматривать изоляторы на предмет трещин или других повреждений, что облегчает техническое обслуживание и обнаружение неисправностей).
Вместе с тем, изоляторы из электротехнического стекла, изготовленные по старым технологиям, обладали рядом существенных недостатков, которые ограничивали их применение и долговечность. Наличие этих недостатков выявило потребность в разработке и внедрении новых составов стекол и инновационных технологий, чтобы улучшить свойства изоляторов и повысить их надежность.
ИСТОРИЯ ПРИМЕНЕНИЯ СТЕКЛА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗОЛЯТОРОВ
Стекло, долгое время, используемое в различных областях, впервые нашло свое применение в производстве электрических изоляторов в конце XIX века. Изначально материал был выбран из-за своей прозрачности, отличных электроизоляционных свойств и относительной легкости обработки.
В 1920-х годах были разработаны и впервые применены штыревые изоляторы для линий электропередачи напряжением 35 кВ.
Одним из основоположников производства стеклянных изоляторов в России являлся А. И. Цимберов. Абрам Иосифович родился в 1925 году в СССР, получил образование в области электротехники и известен своими научными работами в области электроизоляционных материалов. В 1973 году совместно с Аркадием Владимировичем Штерном опубликована книга "Стеклянные изоляторы" (издательство «Энергия»).
Рис.2 Обложка книги "Стеклянные Изоляторы", А.И. Цимберов, А.В.Штерн, изд. «Энергия», Москва, 1973.
Научный труд посвящен вопросам физико-химических свойств стекол, используемых для производства изоляторов, описанию конструкций стеклянных изоляторов и техническим требованиям к ним. Описан технологический процесс производства стеклянных изоляторов, начиная с подготовки шихты и кончая армированием. Приведены преимущества стеклянных изоляторов перед фарфоровыми: более постоянный состав сырья, простота механизации и автоматизации производства, высокие электромеханические характеристики закаленного стекла, простота контроля в эксплуатации и более низкая стоимость.
В книге даны описания физико-химическим свойствам стекол для производства изоляторов. Стекла могут быть щелочными и малощелочными, причем малощелочные стекла имеют лучшие термические и электрические свойства. Рассмотрены различные конструкции стеклянных изоляторов – штыревые или подвесные.
Подвесные изоляторы тарельчатого типа могут изготавливаться из щелочного или малощелочного стекла с обязательной закалкой для обеспечения электромеханических характеристик. Закалка стекла повышает его механическую прочность и термическую стойкость, что важно для подвесных изоляторов, а также обеспечивает простоту визуального контроля в эксплуатации.
На базе Маловишерского стекольного завода компания открыла в 2025 году свою вторую производственную линию для производства подвесных изоляторов из закаленного стекла, предназначенных, прежде всего, для строительства воздушных линий электропередачи высоких классов напряжений.
Рис.3 Изоляторы тарельчатого типа, производства АО "Полимер-Аппарат"
Штыревые изоляторы изготавливаются из отожженного стекла и используются для воздушных линий низкого и среднего классов напряжения.
Рис.4 Изоляторы штыревого типа, производства АО "Полимер-Аппарат"
ИСПЫТАНИЯ СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
В той же книге А.И. Цимберова "Стеклянные изоляторы" предлагаются методы испытаний изоляторов при выпуске с производства. Действующая в Российской федерации нормативная документация (рис.4) основывается на тех же методах испытаний. Однако в указанные документы уже внесены "отличия" (требования или изменения методов испытаний) основанные на пожеланиях конкретных производителей.
|
ГОСТ 1232-2017: Изоляторы линейные штыревые фарфоровые и стеклянные на напряжение от 1 до 35 кВ. Общие технические условия. ГОСТ 6490-2017: Изоляторы линейные подвесные тарельчатые. Общие технические условия. ГОСТ 27661-2017 Изоляторы линейные подвесные тарельчатые. Типы, параметры и размеры. ГОСТ 18328-73 (2005). Изоляторы стеклянные линейные подвесные и штыревые. Требования к качеству стекла и поверхности изоляционных деталей. ГОСТ Р 52034-2023: Изоляторы опорные из керамики и стекла на напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия. |
Действующая нормативная документация на стеклянные изоляторы.
На рисунке 5 приведено фото испытаний стеклянного изолятора штыревого типа на механическую прочность нормированной механической разрушающей силой при изгибе.
Рис.5 Испытания стеклянного изолятора штыревого типа на механическую прочность. Приложенная механическая нагрузка – 20 кН.
В отличие от простого и понятного способа испытаний, предложенного в книге А.И. Цимберова современная нормативная документация задает минимальное значение механической разрушающей силы на изгиб – 12,5 кН и предлагает испытателям самостоятельно определить способ достижения нормированной силы. Не говоря уже о стандартных колпачках для штыревых изоляторов механическая прочность которых крайне незначительна, сами штыри, выполненные из современной стали марки Ст3, начинают деформироваться (изгибаться) при нагрузке 8÷9 кН, что не позволяет продолжить испытания. Достигнуть заданной механической нагрузки удается только при армировании изолятора на закаленный стержень. Значения разрушающей нагрузки, полученные при испытании современных стеклянных штыревых изоляторов, превышают 20 кН. И таких примеров, касающихся необоснованных технических требований или "поправок" внесенных в метод испытаний, можно привести множество.
ИННОВАЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Процесс производства изоляторов из закаленного стекла включает в себя несколько ключевых этапов. Сначала сырье, состоящее из специального стекольного состава, плавится в высокотемпературных печах. Затем расплавленное стекло формуется в нужную форму изолятора, методом прессования. После формирования изолятор проходит процесс закалки, при котором стекло быстро охлаждается, что придает ему усиленные механические свойства и повышенную устойчивость к температурным перепадам. Этот этап критически важен для обеспечения высокой прочности и долговечности готового изделия. Так как закаленное стекло производится путем быстрого охлаждения после нагрева до высокой температуры, то это создает компрессионные напряжения на поверхности и растягивающие внутри. Закаленное стекло более склонно к разрушению при локальном механическом воздействии, которое может инициировать распространение трещин из-за внутренних напряжений.
На рисунке 6 приведено фото изолятора ПС-70 из закаленного стекла после проведения испытаний. Определенная разрушающая нагрузка – 124 кН, при этом повреждена чугунная "шапка" изолятора, а не стеклянная деталь. Безусловно достигнуть такой механической прочности изолятора возможно только при применении закаленного стекла.
Рис.6 Испытания стеклянного изолятора подвесного типа на механическую прочность. Приложенная механическая нагрузка – 124 кН.
Особенность изоляторов из закаленного стекла - потенциальная внутренняя напряженность, которая возникает в процессе быстрого охлаждения стекла во время закалки. Это напряжение может привести к микротрещинам и уязвимостям в стекле, и может привести к внезапному саморазрушению изолятора. Для минимизации этого риска требуются тщательный контроль процесса закалки и последующие тесты на прочность и целостность изделия. На сборку готовых изоляторов идут только стеклодетали не имеющие дефектов, выдержавшие дополнительную проверку.
Изоляторы из закаленного стекла применяются на воздушных линиях электропередачи в составе гирлянд изоляторов. Небольшая часть изоляторов из гирлянды обычно является резервной – один из четырех; два из восьми и так далее. При проведении ежегодного осмотра ВЛ и обнаружении поврежденного изолятора он в плановом порядке заменяется новым.
Использование изоляторов из закаленного стекла не допустимо для одиночных изоляторов, поэтому оно не может использоваться для штыревой изоляции. Зарубежный опыт применения изоляторов также подтверждает вывод о целесообразности применения штыревых изоляторов из отожженного стекла для ВЛ низкого и среднего классов напряжений. В противном случае, разрушение изолятора рано или поздно приведет к падению провода на траверсу или на землю, что вызовет более серьезные последствия в работе сети.
Отожженное и закаленное стекло различаются по технологии производства, что существенно влияет на характеристики изоляторов.
Рис.7 Изоляторы штыревого типа для распределительных сетей.
Стеклянные изоляторы малых габаритов (в частности, штыревые на напряжения до 20 кВ) изготовляют по технологии отожженного стекла. Стеклянная капля формируется на пресс-автоматах и проходит процесс контролируемого отжига. В процессе отжига у стеклянных изоляторов выравнивается до 70% внутренних напряжений.
Отожженное стекло прочнее, чем необработанное стекло, но менее прочное, чем закаленное. Отожженное стекло менее устойчиво к термическим ударам по сравнению с закаленным стеклом, но при этом, обеспечивает достаточный запас прочности для всех стандартных условий эксплуатации, включая обычные погодные колебания температур.
Отожженное стекло может быть легко обработано (резано, сверлено) без риска разрушения. Здесь уместно отметить, что различное механическое воздействие на изолятор во время дальнейшей его эксплуатации, например, трение спиральных вязок, удерживающих фазный провод, не будет оказывать существенного воздействие на целостность изолятора.
Изоляторы из отожженного стекла изготавливались в Советском союзе, на Львовском изоляторном заводе. Основу этих изоляторов составляло глиноземистое стекло, типа 13В. Такие стеклянные изоляторы отличались высокой энергоёмкостью производства. Переход к боросиликатному стеклу дал новые горизонты и позволил добиться современного баланса между механическим ресурсом и затратами на выпуск.
За рубежом отожженное стекло производится до сих пор несколькими известными брендами, например, «Pyrex» (Пайрекс). Основу этих изделий составляет боросиликатное стекло.
Инновация в производстве изоляторов из отожженного стекла АО "Полимер-Аппарат" состоит в применении специального состава боросиликатного стекла, позволяющего получить следующие преимущества наших штыревых изоляторов:
· Отсутствие риска самопроизвольного разрушения в отличии от изоляторов из закаленного щелочного стекла марки С7, благодаря стабильным термическим и механическим свойствам;
· Высокие механические характеристики и надежное удержание провода даже под экстремальными механическими нагрузками;
· Непрерывную работоспособность ВЛ: изолятор не рассыпается, позволяя проводу не падать на траверсу/землю, не создавая аварийной ситуации на ВЛ. Поврежденный изолятор не создает прямой угрозы электробезопасности или потерю фазы.
· Возможность спокойно спланировать замену дефектного изолятора без экстренного вывода линии из эксплуатации;
НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
В апреле 2024 года в ходе визита в Маловишерский район губернатор Новгородской области Андрей Никитин посетил производственную площадку Маловишерского стекольного завода (Примечание: с апреля 2025 г. Никитин Андрей Сергеевич назначен министром транспорта Российской Федерации).
Стекольный завод специализируется на варении технического стекла и производстве изделий из него. С 2022 года входит в группу компаний АО "Полимер-Аппарат". В торжественной обстановке был произведен запуск второй линии производства стеклянных высоковольтных изоляторов для линий электропередачи. Плановая производительность линии — 3,5 млн штук в год. Для обслуживания линии создано 50 новых рабочих мест.
Современные технологии позволили улучшить традиционные производственные процессы как закаленного, так и отожженного стекла. Технологами завода разработаны новые составы стекол, обогащенные особыми химическими элементами.
Рис.8 Производственная линия Маловишерского стекольного завода.
Группа компаний "Полимер-Аппарат" на базе Маловишерского стекольного завода открыла новые горизонты в производстве стеклянных изоляторов. Инновационные технологии производства отожженного и закаленного стекла обеспечивают повышение надежности и долговечности изоляторов, что является ключевым фактором в обеспечении безопасности и эффективности электроэнергетических систем.
Попов В.Ю.,
директор по развитию АО «Полимер-Аппарат»
Источники:
· "Стеклянные Изоляторы", А.И. Цимберов, А.В.Штерн, изд. «Энергия», Москва, 1973.
· "Электроматериаловедение", Дроздов Н. Г., Никулин Н. В. Москва, 1973.
· "Современные материалы и технологии в электроэнергетике и электротехнике" Д.С. Никитин, И.И. Шаненков, А.П. Леонов, издание Томского политехнического университета, 2022
· Интернет издание – Novgorod.ru.
· ГОСТ 1232-82, ГОСТ 1232-2017, ГОСТ 6490-2017, ГОСТ 18328-73 (2005), ГОСТ Р 52034-2023.